ゆがん だ 結晶。 結晶

光合成で“ゆがんだイス”型の触媒が酸素分子を形成する仕組みを解明 ~人工光合成触媒の合理的設計の糸口に~(プレスリリース) — SPring

ゆがん だ 結晶

宇宙をめぐる長い長い旅を続けている水のことを考えるとき、人間はいったいどこから来て、どこへ行くのかという思いが私の心をとらえます。 人間が水であると考えたとき、いくつかの疑問が解けます。 人体の70%を占めている水。 そこに記憶されている情報は、私たちの人格を形づくっているにちがいありません。 こんな話を聞いたことがあリます。 交通事故にあって輸血をしたとたんに、見たことのない風景や記憶が頭の中にあらわれた。 あるいは、それまでの性格ががらりと変わってしまった…。 私たちが人生で体験した出来事は、水の記憶となって体内に残っているのではないでしょうか。 それが、魂と呼ばれているものなのではないでしょうか。 魂のこと、生まれ変わりのこと、霊の存在。 まだ証明されていない問題がたくさんあります。 水の研究を進めていくうちに、そういった問題が科学的に解明される日が来るように思います。 魂はどこから来たのでしょう。 宇宙の果てから水にのってやってきたことほ、いままでみてきたとおりです。 それでは、これから私たちはどこへ行くのでしょうか。 私たちは水そのものです。 いつの日か地球上で学んださまざまな体験の記憶をもって、宇宙へと旅立っていくのでしょう。 私たちに課せられた仕事とは、飛び立つ前にこの地球上できれいな水になることなのです。 いえ、もっとシンプルに質問するならば、あなたはいま、幸せですか? もちろん、幸せの形は一人ひとり違うものだと思います。 それでは、ともかく心が安らかで、将来に不安がなく、わくわく楽しんで生きている、それが幸せな状態だとするならば、あなたはいま幸せだといえるでしょうか? 各国の言葉で「ありがとう」文字を見せた水の結晶(写真は全て『水は答えを知っている』より抜粋) ほとんどの人が、この質問に胸を張って答えることはできないのではないでしょうか。 実に多くの人が、自分の生き方に自信をもてずにいます。 私たちを苦しめているのは、いったい何なのでしょうか。 この世界に、何が起こっているのでしょうか。 私には、現代は「カオスの時代」にみえます。 カオスとは混沌、すなわち宇宙ができる前のドロドロと混乱した無秩序な状態のことです。 私たちは、日々の生活を送るだけでも疲労困憊です。 新聞やテレビからは情報があふれ、仕事では、取引先とのトラブル、誤解、行き違い…。 私たちを悩ませる要因はあらゆるところに転がっています。 世界を見回しても、同じです。 経済摩擦、国内紛争、人種差別、環境間題、宗教をめぐる戦争、ありとあらゆるトラブルが、この小さな地球の上にあふれているようにみえます。 そして、それらの悪いニュースは数秒のうちに、地球の裏側の国々にも伝えられます。 トラブルで苦しむ者、それを見て楽しむ者、支配される者、搾取される者、金持ちになる者、ますます貧困に苦しむ者…。 いったいだれが、世界をこのように複雑にしてしまったのでしょうか。 世界はますます分裂し、さらに細分化し、複雑になり、私たちを困らせます。 カオスの海の中で、私たちは足をとられ、さらに深いカオスの中に引きずり込まれるようです。 だれもが、このアリ地獄のような世界の中で、救いを求めています。 だれもが答えを求めているのです。 その一言で世界が救われるような、シソプルで決定的な答えを、探しつづけているのです。 なぜ、このようなカオスをつくり出してしまったのか。 そのいちばんの問題は何でしょうか。 それは、すべてが調和ではなく、分裂の方向に向かっているということです。 しかし、それはしかたがないことかもしれません。 同じ人間とはいっても、住むところが違い人種が違えば、考え方も違います。 肌の色、生活習慣、宗教、本当にさまざまな人たちが、この同じ地球の上で生活しているのです。 おまけに、ほとんどの人間は、異質なものを受け入れるのがとても苦手ときています。 そのおかげで、地上にはさまざまなトラブルがあふれ、絶えることがないのです。 こういう世界の状況をみるとき、私はこう思うのです。 人間が人間であるという前提のもとにおいては、どんな解決策も出てこないのではないか、と。 そういってしまうと、話がまた袋小路に入ってしまう気がします。 地球上に住むどんな人にも適用でき、だれもが納得する、そしてこの世界をシンプルに説明することができる、たった一つの答えなど、はたしてあるのでしょうか。 小学校での実験です。 上:「かわいいね」と声をかけた水の結晶。 下:「ばかやろう」と声をかける。 上:「きれいだね」と、ときどき声をかける 中:「きれいだね」と、頻繁に声をかける 下:放置、無視した水の結晶 私は、ここで、それを提示したいと思っています。 それは、人間の体は平均すると70%が水である、ということです。 人間はそもそもこの世に誕生する前、受精卵のときは99%が水です。 そして、生まれたときは体の90%が成人になると70%が水で、おそらく死ぬときになってやっと50%を切るのでしょう。 すなわち、人間は一生を通じてほとんど水の状態で生きているといってもいいのです。 物質的にみると、人間とは水です。 そして、そういう前提で考えたとき、私にはいろいろなことが、とても冷静にみえてくるのです。 まず、どの人種をとってみても、この前提は変わりません。 したがって、これから述べることは、全世界、どんな人にも共通しているのです。 さらに、人間はどのように生きるべきか、その答えもわかってきます。 健康で幸せな人生を送るには、どうしたらよいのでしょうか。 一言でいえば、体の70%を占めている水をきれいにすればよいのです。 川は流れているから、清らかな水を保ちつづけることができます。 たまってよどむこと、それは、水にとって死を意味します。 したがって、水は循環しなくてはいけないのです。 健康を害する人たちの多くは、体内の水、すなわち血液がとどこおることが問題なのです。 血液の流れが止まれば、そこから体は腐りはじめます。 脳の血管であれば、命にかかわるでしょう。 血液の流れがとどこおるのはなぜでしょうか。 それは、感情がとどこおってしまうからだと考えられます。 昨今、心の状態が体に大きな影響を及ぼすことが、医学的にも明らかになつてきました。 楽しくわくわくしながら生きていると体の調子もよくなり、悩みや悲しみにいつまでもうちひしがれていると、体調もすぐれません。 感情がいきいきと流れているとき、どんな人も幸福感に満ちあふれ、体も健康になります。 よどまず、とどこおらず、流れていること。 それが人間にとっていちばん大切なことなのです。 人間であるということ以前に、私たちは水なんだというふうに考えてみることによって、人間とはいったい何か、という問いへの答えにいっそう近づくように思うのです。 水の正体がわかれば、人間の本質がわかり、私たちがなぜいま生きているのか、という謎も解けることになります。 水とはいったい何なのでしょうか。 まず考えられるのは、水は生命力だということです。 人間は、体内の50%の水を失うと生きていくことができません。 人間は水によって栄養素を体内にとりこみ、それらは血液や体液によって体中に運ばれ循環します。 体内を水が流れることによって、生命はいきいきと活動することができるのです。 生命という視点から考えてみると、水とはエネルギーの伝播役、運び屋といえるのです。 エネルギーの運び屋である水は、体内を通る貨車であると考えられます。 貨車の中がきれいに掃除されることなく、ゴミがたまっていたり汚れていたりしたら、運ぶ荷物も汚れてしまいます。 水は常にきれいでなくてはいけません。 水がエネルギーの伝播役であるという考え方は以前よりよく知られ、病気の治療などに利用されてきました。 なかでもユニークなのが、ホメオパシーです。 ホメオパシーは、19世紀前半にドイツ人の医師サミュエル・ハーネマンによつて開発された療法ですが、その起源は古く、紀元前5~4世紀の古代ギリシャにおいて医学の父といわれたヒポクラテスも同様の療法を書き残しているそうです。 それは一言でいうと、「類は類を癒す、毒をもって毒を制す」という方法です。 たとえば、鉛の毒にやられた人は、同じ鉛を10のマイナス12乗からマイナス400乗倍といった、物質の分子が存在しなくなるぐらいにまで薄めた水を飲むことによつて、症状を消すことができるのです。 水をめぐる物語は、宇宙のしくみを探る冒険でもあります。 水が見せてくれる結晶は異次元空間への入りロです。 結晶写真を撮るという実験を繰り返すうちに、私はいつしか、あるいは知らず知らずのうちに、宇宙の深遠な真理へと続く階段に足をかけていたのです。 そのうちに、ある1つの結晶写真が、私の心をとらえました。 これほど美しく華やかな結晶を、私は見たことがありませんでした。 それは「愛・感謝」という言葉を見せた水でした。 水が喜び、花が思いきり開いたような形。 それは私の人生を変えてしまうほどの美しさをもった結晶の写真でした。 「愛・感謝」の水が見せてくれたのほ、人の心がいかに大切で、意識がどれだけ世界を変えていくのか、ということです。 日本には、言葉に魂が宿るとする「言霊(ことたま)」の思想があります。 言葉を発すること自体が、世界を変えるバワーをもっているのだとする考えです。 言葉は私たちの意識に大きな影響を与え、なるべくポジティブな言葉を使ったほうが何事もうまくいくといぅことは、よくいわれてきました。 しかし、いままでそれを目に見える形として認識することはありませんでした。 言葉は心のあらわれです。 どんな心で生きているかということが体の70%を占める水を変え、その・変化は体にあらわれるのです。 健やかな体をもっている人は、心も健やかです。 まさに、健全な精神は健全な肉体に宿るのです。 「地球の写真の上に置いた水の結晶」 少しゆがんでいるのが気になります。 「地球の写真の上に置いた水の結晶」 少しゆがんでいるのが気になります。 水の研究を始めたとき、少しでも多くの人が健康になってほしいという願いのもと、私は多くの人たちをみてきました。 難病の人をみればみるほど、それは個人の問題だけではなく、社会全体がゆがんでいるからだ、という思いを私は強めていきました。 ゆがんでしまった世界全体をなんとかしないと、病気の人の数を減らすことはできない、心が病んでしまった人を癒すことはできないと、私は確信するようになってきたのです。 世界のゆがみとは何でしょうか。 それは、心のゆがみです。 心のゆがみは宇宙すベてに影響していくのです。 水たまりにほんの一滴の水をたらすと、波紋がどこまでも広がっていくように、一人の人の心のゆがみほまわりの世界をゆがませ、世界全体をゆがませていきます。 でも、安心してください。 救いはあります。 それが、「愛と感謝」です。 世界は求めているのです。 世界は美しくなりたいのです。 最高の美を求めているのです。 最初の定義を思い出してください。 人間は水です。 水の結晶写真を見た人は、きっと体の中の水に何らかの変化が生じたにちがいありません。 そして、そこに最高の美を見つけてしまったのです。 それは、「愛と感謝」の結晶です。 あらゆる宗教の根源もそこにあるはずです。 そうだとしたら、もう法律もいりません。 答えはあなたが知っています。 「愛と感謝」が世界を導くキーワードだということを。 水は私たちに、どう生きればいいのかということを、明確に教えてくれます。 そして、水をめぐるドラマは、細胞の一つから宇宙までつながる果てしない物語です。 私と同様に、あなたもわくわくしながら、そのドラマを楽しんでください。 太陽の写真の上に置いた水の結晶。 写真:伊藤凡恵 イギリス・ストーンヘンジの写真の上に置いた水の結晶.

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【MHWアイスボーン】ゆがんだ結晶の効率的な入手方法【モンハンワールド】|ゲームエイト

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結晶形および結晶面 宝石品質ダイヤモンドの晶癖は八面体です。 鉱物結晶において、化学組成および内部結晶構造は基本的に全体を通じて等しくなります。 これと反対に岩石は通常独自の化学組成および結晶構造を持つ2種類以上の鉱物の結晶の集まりです。 簡単に言うと、結晶は単位格子 ユニットセル と呼ばれる全く同じブロックが莫大な量が集まって構成した大きな形として描くことができます。 単位格子とは、独特の化学組成および鉱物の基本的結晶構造を兼ねそなえた原子最小の集まりです。 プロセスはおもちゃの積木を積み上げるのに似ていて、出来上がる形は使用するブロックの形ばかりでなく、いかに積み上げられるかにも左右されます たとえば立方体、あるいは靴箱の形も作ることができます。 同じ形状の単位格子で結晶形と呼ばれる様々な形状を作ることができます。 さらにおもちゃのブロックと異なり単位格子の積み重ね方は重力に制限されず、どの方向にも広がっていけるのです。 ある鉱物が最も多くとる外部結晶形状をその 晶癖と呼びます。 宝石品質ダイヤモンドの晶癖は八面体、すなわち三角形の側面が8枚ある形です 側面が4枚ある四角錐2個の底と底を合わせたものに似ています。 八面体およびこれと関連性があるほかの結晶形は特に標準ラウンドブリリアントのカッティングに適しています。 ダイヤモンドは立方晶系に結晶化するから立方体の宝石結晶を形成すると考えるひともいるでしょう。 理論的に可能ですがこれは非常に珍しくなります。 十二面体も含め、他の数多くの形状があります。 結晶体の話をしているとき意味するのは、結晶が常に理想的状態で成長した場合に形成される論理的、理想的形状のことです。 言うまでもなく、自然界では原石ダイヤモンド結晶の実際の形状は多種多様です。 どの鉱物においても理想的形状は稀となります。 その結果、このように完全に形成された結晶は宝石にカットされずにコレクターの試料として販売されることが多くなります。 理想的結晶形状の本当の重要性は、外観にかかわらずあらゆるダイヤモンドの内部に存在する原子配列を反映していることです。 さらにこの配列は固定された幾何学的関係で生じ、すべて単位格子の構造に固有のもので結晶全体にわたって一貫しています。 カッターはダイヤモンドのカッティングを計画する場合、これに影響されます。 カッターの立場から見ると、最も重要な理想的形状は立方体、八面体、および十二面体です。 結晶形と結晶面の違いを明らかにする必要があります。 特にカッターにとって、この違いは重要となります。 結晶面 ここまで、理想的な結晶形に関して幾何学的な固体として説明してきました。 ダイヤモンドのカッティングの仕組を把握するには、結晶形ではなく結晶面としてとらえ、平坦な板が結晶を様ざまな方向に走っているように考えたほうが役に立ちます。 たとえば、立方体面と言う場合、これは3対の潜在的立方体結晶面のうち1対に平行な面を意味します 潜在的、と言うのは実際に外部に立方体面のあるダイヤモンド結晶はほとんどありません、その外形にかかわらず、あらゆるダイヤモンドは内部に立方体面を有しているからです。 立方体面は3組しかありません。 立方体には面が6面ありますがそれぞれもう1枚の面と平行だからです。 各組に、少なくとも理論的には原子層と同数の平行な面があります。 同様にあらゆるダイヤモンド結晶に八面体面が4組あよび十二面体面が6組ありますが、ここでも結晶外形は関係がありません。 面の各面において、いずれの面も他の組の面と明確な幾何学的関係があります。 すなわち、その相対的位置およびその間の角度は一定です。 カッターはこの結晶学的方向に制約を受けますが 通常、特定の作業には特定の面を使用します これによって十分、確信して計画を立てることもできます。 これをすべて念頭におくとダイヤモンドの主要3結晶形がすべてよく分かるようになります。 立方体 立方体の形のブロックをどの方向にも均等に積み上げると、より大きい立方体形ができます。 宝石品質で立方体形のダイヤモンド結晶は極めて珍しく、一部の八面体結晶のように驚くほど結晶面が完璧な立方体結晶はありません。 しかしそれでもすべてのダイヤモンド結晶の中に原子の立方体面が潜在的に立方体結晶面に平行に存在しています。 八面体および十二面体の面と比較すると、立方体は中位の硬度です。 しかし他の面との関係から、内部の立方体面は大きい八面体および十二面体結晶を分割するのに最も有利な方向となることが多く、これによってカッターは原石からの十分な歩留りで標準ラウンドブリリアントにカットできるようソーイングできます。 八面体 立方体形のブロックを正方形に一層並べ、その上下にできます。 各層がその前の層より1列ずつ小さくなるよう正方形の層を積んでいくと八面体形ができます。 しかし、ダイヤモンドの単位格子の内部構造により、八面体ダイヤモンドの形状が成長する場合、正方形に層の方向が潜在的立方体形の正方形の層と方向が同じではなく、45度回転しています。 形成の完璧な八面体はあらゆる結晶の中でも特に印象的です。 この姿を思い描くには、立方体の内部にある八面体を想像してみます。 八面体の6頂点はそれぞれ立方体に各面の中央に接することになります。 逆に八面体の内部にある立方体を思い描くと、立方体の8コーナーはそれぞれ八面体の三角形の各面の中央に接することになります。 八面体は宝石品質ダイヤモンド結晶の形状 晶癖 中、最も一般的なのです。 形成の完全な八面体はグラシーと呼ばれ、あらゆる鉱物結晶の中でも特に印象的となります。 基本的八面体形が変形すると丸まった形ができ、これは標準ラウンドブリリアントのカッティングに特に適しています。 八面体の面はクリページ面でもあるので、ダイヤモンドのカッティングにおいても重要です。 カッターはクリページを利用して、ゆがんだダイヤモンド結晶をより作業しやすい形状へと分割したり、大きなインクルージョンを除去することによって、加工仕上げした宝石のクラリティを したがって、価値も 向上させています。 十二面体 まず立方体のブロックで立方体を作り、次に6面の各立方体面にそれより小さい しかし、なお正方形の 立方体の内部にある八面体を思い描きます。 八面体の各稜を切り取って4辺のダイヤモンド形 菱形 の面で置き換えると十二面体ができます。 これらの新しい面はすべて相接し、したがって古い八面体の面と置き換わります。 十二面体の内部では立方体面が四角錐を加える基礎となった立方体を作った時と同じ方向を向いています。 宝石品質十二面体ダイヤモンド結晶が、非常に一般的な鉱床もありますが、これは明らかに結晶が形成された時の温度と圧力の組み合わせによるものとなります。 多くの科学者は十二面体を以前に形成されたほかの形状が条件の変化により部分的に溶融した結果生じたものと考えています。 平坦な結晶表面にある十二面体結晶は実際には知られておらず、大半は丸みをおびています。 八面体と同様十二面体やそれに関連する形状はラウンドブリリアントのカッティングに非常に適しています。 縦長の十二面体は、立方体より硬くなりますが、左右方向については、ダイヤモンドの最も柔らかい結晶方向と同じとなります。 最も柔らかい方向は研磨し易いので、カッターは研磨するとき、十二面体を使おうとします。 すなわちカッターは、宝石の方向を見極め、十二面体を横に処理しようします。 十二面体面は、代替ソーイング方向でもあるのです。 もし石がゆがんでいく立方体面のソーイング、もしくは八面体面のクリービングで重量ロスが大きくなりそうな場合、カッターは十二面体でソーイングできます。 最高の研磨は十二面体面に沿った研磨によって得られます。 十二面体面は、代替クリべージ方向でもありますが、この目的に使用されることはめったにありません。 ダイヤモンドの他の形状 二十四面体 テトラヘクサへドロン は三角形の面が24あります。 これは各面を三角形の4つの面で置き換えた立方体として思い描くことができます。 宝石品質ダイヤモンド結晶では珍しい形状でもあります。 偏方多面体 トラペゾへドロン には不等辺四辺形の面が24あります。 これは平行な辺のない四辺形です。 これは各面を四辺形の3つの面で置き換えた八面体として思い描くことができます。 宝石品質ダイヤモンドではこの結晶形状も珍しくなります。 二十四面体 トリスオクタヘドロン にも三角形の面が24あります。 これは各面を三角形の3つの面で置き換えた八面体として思い描くことができます。 二十四面体 トリスオクタヘドロン は宝石品質ダイヤモンド結晶、特に変形八面体では一般的な形状となります。 最後に四十八面体 ヘクスオクタへドロン には三角形の面が48あります。 いくつかの変形が可能ですが、これは各面を三角形の6つの面で置き換えた八面体として思い描くことができます。 これは丸みのある結晶を生じる八面体の変形としては一般的となります 四十八面体のように面の多い形状は、度々ほぼ球形に見えます。 組み合わせ、および変形 ダイヤモンド結晶は大抵2種類以上の基本的等軸晶系形状の組み合わせで生じます。 多くは変形した八面体となります。 特に一般的な組み合わせは八面体 オクタへドロン と二十四面体 トリスオクタヘドロン 、八面体と四十八面体 ヘクスオクタへドロン 、および八面体と十二面体 ドデカへドロン です。 平らになったり、細長い結晶も一般的です。 双晶 ひとつの鉱物試料が実際には内部で成長した2つ以上の結晶で構成され、個々の部分は同じ結晶形であるが方向は異なるという場合があります。 この試料を双晶と呼びます。 ダイヤモンド双晶にはいくつかの独特の種類があり、各々において2つの部分の結晶構造間に独特の角度関係があります。 明らかに最も重要な双晶の種類は マクルで、これは面体を1対の面に平行に分割して片方をもう一方にし60度もしくは180度回転させたものに似ています。 マクルは2つの理由からダイヤモンドカッターにとって問題となります。 第一に結晶構造の方向が結晶の一方と他方で反対になります。 すなわち、石全体で連続していないのでカッティング、もしくは研磨の最適方向を利用することが困難となります。 第二に大半のマクルの形状は高い歩留りをえることが困難です。 原石が一般に非常に薄いので、ラウンドブリリアントにカットしようとすると大量の重量を失うことになります。 マクルは一般にペアー、トライアングル 三角形 、もしくはハート等のファンシーシェープにカットされています。 集合体 集合体は多くの個々の結晶が内部で成長、もしくは天然の接着剤のように働く結合剤によって結合してできた固体です。 個々の結晶は肉眼で見えないこともあり、高い倍率では見えるものもあります。 個々の結晶の結晶構造の方向は互いに一定ではありません 双晶の明確な方向とは異なります が、同一鉱物の個々の結晶の内部での原子パターンは等しくなります。 カーボネードやボード 単結晶のこともあります はダイヤモンド集合体で、工業用研磨剤として使用されます。 ボードは通常、不透明ですが 大抵の顧客が知っているダイヤモンドとは全く似ていない これをジュエリーにセットしているデザイナーもいます。 結晶 INDEX:• 現在のページ•

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共同発表:光合成で「ゆがんだイス」型の触媒が酸素分子を形成する仕組みを解明~人工光合成触媒の合理的設計の糸口に~

ゆがん だ 結晶

令和元年10月18日 岡山大学 理化学研究所 科学技術振興機構(JST) 日本医療研究開発機構 光合成で「ゆがんだイス」型の触媒が酸素分子を形成する仕組みを解明 ~人工光合成触媒の合理的設計の糸口に~ ポイント• 光合成は光エネルギーを利用して、光化学系IIと呼ばれるタンパク質が水分子から酸素分子を形成する反応で始まりますが、酸素分子が形成される仕組みは分かっていませんでした。 量子ビームであるX線自由電子レーザーを用いて、光化学系IIの「ゆがんだイス」型の触媒が酸素分子を形成する直前の状態の立体構造を正確に決定しました。 本研究成果は、光合成で水分子から水素イオンや電子を取り出す仕組みの解明だけでなく、光で水を分解するための人工光合成触媒の設計にも役立つことが期待されます。 岡山大学 異分野基礎科学研究所の菅 倫寛 准教授、秋田 総理 准教授、沈 建仁 教授、理化学研究所の吾郷 日出夫 専任研究員らの共同研究グループは 注1)の「ゆがんだイス」の形をした触媒が酸素分子を形成する直前の状態の立体構造を決定しました。 この結果から、光合成において酸素分子が形成される反応の仕組みが明らかになりました。 本研究成果は、米国東部時間10月17日(日本時間10月18日)米国科学誌「Science」のResearch Articleとして掲載されます。 光合成は光エネルギーを利用して、光化学系IIと呼ばれるタンパク質が水分子から電子と水素イオンを取り出し、酸素分子を形成する反応によって始まります。 これまでの研究で、反応が起こる触媒部分の立体構造や酸素形成の部位が明らかになっていましたが、酸素分子が形成される仕組みはよく分かっていませんでした。 研究グループは、光化学系IIの結晶に 注2) 注3)の発振する量子ビームを照射し、立体構造を高い解像度で解析しました。 その結果、酸素分子の形成に必要と考えられる2つの酸素原子を触媒中に発見し、量子化学計算の結果と考え合わせることによって、これら2つの酸素原子の化学的な性質を明らかにしました。 さらに反応に必要な水分子を取り込むための経路や反応で生じた水素イオンを排出するための経路を見いだしました。 本研究で明らかになった酸素分子を形成する仕組みは、光エネルギーを利用して水から電子と水素イオンを取り出して有用な化学物質を作り出す「 注4)」の技術を開発するための重要な知見を与えると期待されます。 植物や藻類が太陽の光エネルギーを利用して水と大気中の二酸化炭素から糖を合成し、酸素分子を放出する反応は、光合成として知られています。 光合成は、光化学系IIと呼ばれる、約20個のタンパク質とクロロフィル、カロテノイドなどの集光色素からなる複合体が光エネルギーを吸収して効率よく利用し、水分子から電子と水素イオンを取り出して酸素分子を形成する反応から始まります。 光化学系IIが反応を触媒する詳細な仕組みを解明し、人工的に利用することができれば、光エネルギーを利用して、水から電子と水素イオンを取り出し、有用な化学物質を作り出す「人工光合成」の技術開発にもつながると期待されています。 光化学系IIは、非常に安定な水分子から電子と水素イオンを取り出す反応を温和な条件下で触媒する巨大なタンパク質です。 これまで沈教授らのグループは光化学系IIの結晶を高い品質で作製することに成功し、放射光施設SPring-8の強力なX線やX線自由電子レーザー施設SACLAの強力なX線パルスを用いて、その結晶構造を2011年および2015年にそれぞれ解析し、水分子を分解する触媒部分の正体はマンガン(Mn 4CaO 5)クラスターで「ゆがんだイス」の形をしていることを明らかにしています()。 触媒が「ゆがんだイス」の形をしているのはタンパク質の内部に存在しているためであり、この形が反応サイクルで少しずつ変化して酸素分子を形成すると考えられています。 2017年にはS 3状態と呼ばれる酸素分子を形成する反応の「途中」の状態を解析することで、酸素形成のために必要な水分子が「ゆがんだイス」型である触媒の中に取り込まれる様子を捉えることにも成功しています。 しかし、2017年の解析では触媒に取り込まれた水分子の化学的性質を明らかにできなかったため、酸素が形成される仕組みには不明な点が残されていました。 また酸素形成に必要な水分子を取り込むための経路や反応で生じた水素イオンを排出するための経路についてもよく分かっていませんでした。 <研究成果の内容> 菅 倫寛 准教授、秋田 総理 准教授、沈 建仁 教授、吾郷 日出夫 専任研究員らの共同研究グループは、「 注5)」を微小なサイズの光化学系IIの結晶に適用しました。 光化学系IIの結晶に室温でレーザー閃光を1~2発照射すると、水を分解する反応サイクルをS 2~S 3状態と呼ばれる「途中」の状態に進めることができます。 これら「途中」の状態を急速に凍結することで固定し、フェムト秒のX線パルスを照射してX線の損傷を受けていない状態でX線回折データを取得しました。 今回の解析では2017年の解析を上回る2.15オングストロームの高い解像度で解析しただけでなく、触媒の周期的な5つの中間状態のうち3つを捉えることに成功しました()。 解析では、量子化学計算の結果を用いることで、従来よりも正確に触媒の立体構造を決定することができました。 その結果、酸素分子の形成に必要と考えられる2つの酸素原子を触媒中に発見し、これらの化学的な性質を明らかにすることができました。 これにより、反応の開始時(S 1状態)には触媒部分の中間にあるO5と呼ばれる酸素原子が、次のステップ(S 2状態)で少し移動してスペースをつくり、さらにその次のステップ(S 3状態)でO6と呼ばれる酸素原子が取り込まれる仕組みが見いだされました。 さらに触媒部分の周辺で起きたタンパク質の立体構造の変化に注目したところ、反応に必要な水分子を取り込むための経路や反応で生じた水素イオンを排出するための仕組みが明らかになりました。 <社会的な意義> 光化学系IIにある「ゆがんだイス」の形をした触媒は、周期的な5つの中間状態を経て、極めて高い効率で水分解反応を行っています。 本研究は、水分解反応のサイクルにおいて、酸素を形成する直前の状態の触媒の立体構造を正確に決定して、酸素形成に必要とされる2つの酸素原子の化学的性質を明らかにしました。 本研究の成果により、これまで謎であった、酸素分子が形成されるために必要な立体構造が明らかとなりました。 これは、太陽の光エネルギーを利用して水分解反応を人工的に実現する触媒について構造基盤に関する情報を提供したことになります。 この反応を模倣する「人工光合成」が実現すれば、太陽の光エネルギーを利用して水から電子と水素イオンを取り出し、有用な化学物質を高効率・低コストで作り出すことが可能となります。 このような夢の「人工光合成」の技術は、エネルギー問題、環境問題、食糧問題を解決し得る重要なものであると期待されています。 <参考図>• 図1 光化学系IIの全体構造 全20個のタンパク質からなる複合体が2つ集合して1つの構造をとり、水分子から水素イオン(H +)と電子(e -)を取り出して酸素分子を形成する反応を触媒する。 赤丸で囲んだ部分に反応を進行させる触媒部分がある。 光化学系IIの触媒部分であるゆがんだイス型のマンガンクラスターを右側に拡大した。 図2 酸素分子を形成する反応における触媒部分の立体構造の変化 反応サイクルは光化学系IIの特別なクロロフィルが光を受け取り励起されて進み、次の状態に進むときに触媒部分付近から電子を1つ取り出す。 S 1と呼ばれる反応の開始状態ではO5と呼ばれる酸素原子(水色)に水素イオン(H +)(白色)が結合しているが、次のS 2と呼ばれる反応の中間状態ではO5は水素イオンを失い、Mn4の方へ引き寄せられる。 するとO5の近くに少しスペースができる。 次のS 3と呼ばれる酸素形成の直前の状態になると水の経路から新しい水分子がO6(水色)として取り込まれる。 O5とO6は酸素分子を形成するのにちょうどよい位置関係にある(赤色破線の丸囲み)。 Mn原子(灰色)の近くの数字(+3、+4)はMn原子の電荷状態を表している。 <用語解説> 注1)光化学系II 光合成反応では光化学系IIと光化学系Iと呼ばれる2つのタンパク質複合体がクロロフィルで受け取った光のエネルギーを効率よく利用して、光化学系IIは水から電子と水素イオンを取り出す反応を、光化学系Iは糖を合成するのに必要な強力な還元力を供給する反応を触媒する。 注2)X線自由電子レーザー(XFEL) 従来の放射光の10億倍も明るいX線をフェムト秒の時間スケールを持つパルスとして発振させたものをX線自由電子レーザー(X-ray Free Electron Laser、XFEL)と呼ぶ。 フェムト秒は10 15分の1秒で、光が約3マイクロメートルしか進めない。 このため強いX線のために照射位置の試料は破壊されてしまうが、照射時間が短いので試料の損傷によるタンパク質の構造変化が起こる前に回折像を撮影することができる。 その結果、X線の損傷を受けていないタンパク質の立体構造を決定することができる。 注3)X線自由電子レーザー(XFEL)施設SACLA 理化学研究所と高輝度光科学研究センターが共同で建設した日本のXFEL(X-ray Free-Electron Laser)施設。 2006年度から5年間の計画で建設・整備を進めた国家基幹技術の1つ。 2011年3月に完成し、SPring-8 Angstrom Compact free-electron LAserの頭文字を取ってSACLAと命名された。 2011年6月に最初のX線レーザーを発振、2012年3月から共用運転が開始された。 SPring-8の10億倍明るいX線を、10フェムト秒未満のパルス時間内で提供する。 注4)人工光合成 光合成を人為的に行う技術のこと。 ほぼ無尽蔵に供給される太陽光を利用して、地球上に豊富にある水を分解して水素ガスやその他の有用化合物を作ることができる。 地球温暖化に対する環境負荷が大きい二酸化炭素の放出を伴わない、あるいは二酸化炭素を他の有用な化合物に変換することができるので、クリーンで再生可能なエネルギー源として注目されている。 注5)固定ターゲット無損傷タンパク質結晶構造解析法 SACLAで開発実証されたX線結晶構造解析の方法で、X線自由電子レーザーのパルスX線と大型結晶の相乗効果で、放射線損傷の影響なく、巨大なタンパク質複合体の結晶であっても精密なX線結晶構造解析ができる(Hirata, K. et al. (2014) Nature Methods 11, 734-736)。 <研究に関すること> 菅 倫寛(スガ ミチヒロ) 岡山大学 異分野基礎科学研究所 准教授 Tel:086-251-7877 E-mail:msuga okayama-u. jp 沈 建仁(シン ケンジン) 岡山大学 異分野基礎科学研究所 教授 Tel:086-251-8502 Fax:086-251-8502 E-mail:shen cc. okayama-u. <JST事業に関すること> 川口 哲(カワグチ テツ) 科学技術振興機構 戦略研究推進部 Tel:03-3512-3525 Fax:03-3222-2064 E-mail:presto jst. <報道担当> 岡山大学 総務・企画部 広報課 Tel:086-251-7292 E-mail:www-adm adm. okayama-u. jp 科学技術振興機構 広報課 〒102-8666 東京都千代田区四番町5番地3 Tel:03-5214-8404 Fax:03-5214-8432 E-mail:jstkoho jst.

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